DE102019216523A1

DE102019216523A1 - Komponente, insbesondere Brennstoffleitung oder Brennstoffverteiler, und Brennstoffeinspritzanlage

Info

Publication number: DE102019216523A1
Application number: DE102019216523.0A
Authority: DE
Inventors: Tobias Steiner; Patrick Fayek; Thomas Woehrle; Ralf Weber
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-10-28
Filing date: 2019-10-28
Publication date: 2021-04-29
Also published as: WO2021083588A1; US20220412296A1; CN114901939A; KR20220083772A

Abstract

Komponente (3; 3') für eine Einspritzanlage (1), insbesondere Hochdruckleitung (5) oder Fluidverteiler (2), mit einem Grundkörper (14; 13), an dem ein Hochdruckeingang (15; 12) und zumindest ein Hochdruckausgang (16 - 19; 12') vorgesehen sind, wobei zumindest der Grundkörper (14; 13) zumindest im Wesentlichen aus einem austenitischen oder martensitischen Werkstoff gebildet ist. Vorgeschlagen wird, dass der Werkstoff als kornstabilisierter Werkstoff ausgebildet ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Komponente, insbesondere eine Brennstoffleitung oder einen Brennstoffverteiler, für eine Brennstoffeinspritzanlage. Ferner betrifft die Erfindung einer Brennstoffeinspritzanlage, die vorzugsweise als Brennstoffeinspritzanlage für gemischverdichtende, fremdgezündete Brennkraftmaschinen dient. Speziell betrifft die Erfindung das Gebiet der Brennstoffeinspritzanlagen von Kraftfahrzeugen, bei denen eine direkte Einspritzung von Brennstoff in Brennräume einer Brennkraftmaschine erfolgt.
Aus der EP 2 789 845 A1 ist eine Kraftstoffverteilerleiste für eine Brennkraftmaschine bekannt. Hierbei wird auf die Anforderungen Bezug genommen, dass im Zuge einer Leistungssteigerung bei gleichbleibendem oder verringertem Hubraum die Förderdrücke steigen, dass eine Erhöhung der Wandstärke stattfindet, um eine hinreichende Betriebssicherheit zu gewährleisten, und dass der verfügbare Bauraum jedoch gleich bleibt. Ferner werden einzelne Bauteile der Kraftstoffverteilerleiste mit einem Hochtemperaturlötverfahren bei 500°C bis 1150 °C miteinander gekoppelt. Zumindest das Verteilerrohr der bekannten Kraftstoffverteilerleiste wird daher aus einem Duplexstahl mit vorzugsweise 0,1 bis 5 Gew.-% Nickel, vorzugsweise 20 bis 25 Gew.-% Chrom und vorzugsweise 2,50 bis 3,50 Gew.-% Molybdän ausgebildet. Hierbei kommen Werkstoffe mit den Werkstoffnummern 1.4462, 1.4162, 1.4362 und 1.4662 zum Einsatz, bei denen eine höhere Festigkeit auch nach dem Hartlöten gegeben ist.
Die aus der EP 2 789 845 A1 bekannte Kraftstoffverteilerleiste hat den Nachteil, dass bei den genannten Werkstoffen ein Ausdehnungskoeffizient beziehungsweise das geänderte Ausdehnungsverhalten der Kraftstoffverteilerleiste wesentliche konstruktive Anpassungen erforderlich machen kann. Außerdem ergibt sich bei der Herstellung das Problem einer schlechten Zerspanbarkeit.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Komponente mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und die erfindungsgemäße Einspritzanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 10 haben den Vorteil, dass eine verbesserte Ausgestaltung und Funktionsweise ermöglicht sind.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen der im Anspruch 1 angegebenen Komponente und der im Anspruch 10 angegebenen Einspritzanlage möglich.
Zumindest der Grundkörper der Komponente wird aus einem Werkstoff ausgebildet, bei dem es sich um einen austenitischen oder martensitischen Werkstoff handelt. Vorzugsweise wird ein nicht rostender Austenit gewählt. Durch die Kornstabilisierung wird eine hohe Festigkeit erzielt. Dies ermöglicht beispielsweise bei einer gleichbleibenden oder vergleichbaren Geometrie des Grundkörpers eine Erhöhung eines Fluiddrucks, unter dem das einzuspritzende Fluid steht. Gegebenenfalls kann hierdurch auf eine geometrische Anpassung, wie eine Erhöhung der Wanddicke des Grundkörpers, verzichtet werden. Die höhere Festigkeit kann aber auch in anderer Weise genutzt werden. Beispielweise kann eine Drucksteigerung unter einer Beibehaltung oder sogar Reduzierung des Bauteilgewichts der Komponente ermöglicht werden. Ferner kann der Werkstoff in vorteilhafter Weise so ausgewählt werden, dass sich ein vergleichbarer Ausdehnungskoeffizient des Werkstoffs wie bei einer herkömmlichen Ausgestaltung ergibt.
Speziell kann die Komponente, insbesondere der Grundkörper, in Bezug auf einen Systemdruck ausgelegt werden, der größer als 35 MPa (350 bar) ist. Solch eine Auslegung betrifft insbesondere den Anwendungsfall einer Brennstoffeinspritzanlage für Benzin oder Gemische mit Benzin. Dann ist es insbesondere vorteilhaft, wenn eine Weiterbildung nach Anspruch 2 realisiert ist.
Vorteilhafte Möglichkeiten, um eine Kornstabilisierung des Werkstoffs zu erzielen, sind in den Ansprüchen 3 und 4 angegeben. Speziell kann hierbei eine Auslegung realisiert sein, die die Bildung von Grobkorn im Temperaturbereich einer Warmformgebung verhindert, wie es in Anspruch 5 angegeben ist. Dies ist dann insbesondere bei einer Ausgestaltung gemäß Anspruch 6 von Vorteil, was insbesondere eine vorteilhafte Anwendung bei einer geschmiedeten Brennstoffverteilerleiste darstellt. Im Unterschied zu einer herkömmlichen Ausgestaltung, die auf einem Werkstoff mit der Werkstoffnummer 1.4301 basiert, kann dann eine Grobkornbildung verringert werden. Durch die vorgeschlagene Ausgestaltung ergibt sich auch eine verbesserte Schwingfestigkeit.
Die Mikrolegierung zur Kornstabilisierung, die vorzugsweise auf Niob und/oder Vanadium und/oder Titan und/oder Aluminium basiert, kann vorzugsweise insgesamt einen Anteil von etwa 0,005 bis etwa 3,00 Gew.-% an dem Werkstoff haben. Es können hierbei vorzugsweise jeweils etwa 0,005 bis etwa 2,50 Gew.-% Niob, besonders bevorzugt 0,008 bis 0,8 Gew.-% Niob, und/oder etwa 0,005 bis etwa 2,50 Gew.-% Vanadium, besonders bevorzugt 0,008 bis 0,8 Gew.-% Vanadium, und/oder etwa 0,005 bis etwa 1,50 Gew.-% Titan, besonders bevorzugt 0,008 bis 0,8 Gew.-% Titan, und/oder etwa 0,005 bis etwa 2,00 Gew.-% Aluminium, besonders bevorzugt 0,008 bis 0,8 Gew.-% Aluminium, vorgegeben sein.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Komponente ist ferner in Anspruch 7 angegeben, die in vorteilhafter Weise durch Schmieden realisiert werden kann. Eine Kornstabilisierung kann zusätzlich oder alternativ auch bei anderen Wärmebehandlungen von Vorteil sein, insbesondere bei einem Härten gemäß Anspruch 8. Eine Auswahl möglicher Werkstoffe ist im Anspruch 9 angegeben.
Somit kann durch die Kornstabilisierung insbesondere eine Leichtbauweise einer Komponente realisiert beziehungsweise beibehalten werden, wenn hohe Drücke beziehungsweise größere Drücke, insbesondere Drücke von mehr als 35 MPa, realisiert werden sollen. Speziell die Ausbildung eines feineren Korns im Gefüge, zum Beispiel durch eine Mikrolegierung, wirkt sich aufgrund der höheren Festigkeit bei gleichzeitig verbesserter Duktilität vorteilhaft auf die resultierende Schwingfestigkeit aus. Gegebenenfalls kann dann selbst bei höheren Systemdrücken eine Reduzierung der Bauteilabmessungen der Komponente und/oder eine leichtere Ausführung der Komponente ermöglicht werden.
Figurenliste
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen sich entsprechende Elemente mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen sind, näher erläutert. Es zeigen:

1 eine als Brennstoffeinspritzanlage ausgestaltete Einspritzanlage mit einer als Brennstoffverteiler ausgebildeten Komponente in einer schematischen Schnittdarstellung entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 ein schematisches Schaubild zur Erläuterung einer metallischen Gefügestruktur eines Werkstoffes für die in 1 dargestellte Komponente, wenn lokal keine Kornstabilisierung erfolgt; und
3 ein schematisches Schaubild zur Erläuterung einer metallischen Gefügestruktur eines Werkstoffes für die in 1 dargestellte Komponente, wenn lokal eine Kornstabilisierung erfolgt.

Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt eine als Brennstoffeinspritzanlage 1 ausgebildete Einspritzanlage 1 mit einem Brennstoffverteiler (Fluidverteiler) 2 in einer schematischen Schnittdarstellung entsprechend einem Ausführungsbeispiel. In diesem Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Brennstoffverteiler 2 der Brennstoffeinspritzanlage 1 um eine entsprechend der Erfindung ausgebildete Komponente 3. Ferner ist eine Hochdruckpumpe 4 vorgesehen. Die Hochdruckpumpe 4 ist über eine als Hochdruckleitung 5 ausgebildete Brennstoffleitung 5 mit dem Brennstoffverteiler 2 verbunden. An einem Eingang 6 der Hochdruckpumpe 4 wird im Betrieb als Fluid ein Brennstoff oder ein Gemisch mit Brennstoff zugeführt. Hierbei kann in entsprechender Weise auch die Hochdruckleitung 5 als Komponente 3' gemäß der Erfindung ausgebildet sein.
Der Brennstoffverteiler 2 dient zum Speichern und Verteilen des Fluids auf als Brennstoffeinspritzventile 7 bis 10 ausgebildete Einspritzventile 7 bis 10 und verringert Druckschwankungen und Pulsationen. Der Brennstoffverteiler 2 kann auch zum Dämpfen von Druckpulsationen, die beim Schalten der Brennstoffeinspritzventile 7 bis 10 auftreten können, dienen. Im Betrieb können hierbei zumindest zeitweise hohe Drücke p in einem Innenraum 11 der Komponente 3 auftreten. Die Hochdruckleitung 5 weist einen Hochdruckeingang 12 und einen Hochdruckausgang 12', die gegebenenfalls vertauscht werden können, sowie einen Grundkörper 13 auf.
Der Brennstoffverteiler 2 weist einen rohrförmigen Grundkörper 14 auf, der beispielsweise durch Schmieden hergestellt sein kann. An dem rohrförmigen Grundkörper 14 sind ein Hochdruckeingang 15 und mehrere Hochdruckausgänge 16 bis 19 vorgesehen. Ferner ist an dem rohrförmigen Grundkörper 14 ein Hochdruckanschluss 20 vorgesehen. In diesem Ausführungsbeispiel sind der rohrförmige Grundkörper 14, der Hochdruckeingang 15, die Hochdruckausgänge 16 bis 19 und der Hochdruckanschluss 20 aus einem geschmiedeten Einzelteil 14' gebildet. Der Hochdruckeingang 15, die Hochdruckausgänge 16 bis 19 und der Hochdruckanschluss 20 sind somit an den Grundkörper 14 geschmiedet.
Die Brennstoffleitung 5 ist an ihrem Hochdruckeingang 12 mit der Hochdruckpumpe 4 und an ihrem Hochdruckausgang 13 mit dem Hochdruckeingang 15 des Brennstoffverteilers 2 verbunden. Die Brennstoffeinspritzventile 7 bis 10 sind jeweils an den Hochdruckausgängen 16 bis 19 des Brennstoffverteilers 2 angeschlossen. Ferner ist ein Drucksensor 21 vorgesehen, der an dem Hochdruckanschluss 20 montiert ist. An einem Ende 22 ist der rohrförmige Grundkörper 14 durch einen als Verschlussschraube 23 ausgebildeten Verschluss 23 verschlossen.
In dem rohrförmigen Grundkörper 14 wird nach dem Schmieden noch eine Bohrung 24 ausgebildet, um den Innenraum 11 auszubilden. Über den Innenraum 11 kann das an dem Hochdruckeingang 15 zugeführte Fluid auf die an den Hochdruckausgängen 16 bis 19 angeschlossenen Brennstoffeinspritzventile 7 bis 10 verteilt werden.
2 zeigt ein schematisches Schaubild zur Erläuterung einer metallischen Gefügestruktur 30A, 30B eines Werkstoffes für die in 1 dargestellte Komponente 3, 3', wenn lokal keine Kornstabilisierung erfolgt. Zunächst hat der Werkstoff im Ausgangszustand die Gefügestruktur 30A. Ein exemplarisch gewähltes Korn 31 weist gegenüber seinen benachbarten Körnern 31', von denen zur Vereinfachung der Darstellung nur das benachbarte Korn 31' gekennzeichnet ist, die hier in der zweidimensionalen Darstellung schematisch veranschaulichten Korngrenzen 32 bis 37 auf. Der Werkstoff ändert dann bei zumindest einem Bearbeitungsschritt 40 seine Gefügestruktur, wobei sich die Gefügestruktur 30B im behandelten Zustand ergibt. Durch ein Kornwachstum ist hierbei eine Grobkornbildung erfolgt. In Bezug auf ein exemplarisch gewähltes Korn 41 ergeben sich hierbei in Bezug auf die benachbarten Körner 41', von denen exemplarisch eines gekennzeichnet ist, Korngrenzen 42 bis 47.
3 zeigt ein schematisches Schaubild zur Erläuterung einer metallischen Gefügestruktur 30A, 30B des Werkstoffs für die in 1 dargestellte Komponente 3, 3', wenn lokal eine Kornstabilisierung erfolgt. Die Gefügestruktur 30A im Ausgangszustand weist durch die Mikrolegierung eine Vielzahl von Ausscheidungen 50 bis 52 auf, von denen exemplarisch die Ausscheidungen 50 bis 52 gekennzeichnet sind. Nach dem Bearbeitungsschritt 40 ergibt sich die Gefügestruktur 30B nach der Bearbeitung beziehungsweise Wärmebehandlung. Zumindest ein Teil der Ausscheidungen befindet sich dann an Korngrenzen. In Bezug auf das Korn 41 befinden sich hier zur exemplarischen Verdeutlichung Ausscheidungen 53 bis 55 an den Korngrenzen 42 bis 47, die während des Bearbeitungsschrittes 40 ein Kornwachstum des Korns 41 behindern. Im Unterschied zu der in der 2 veranschaulichten Gefügestruktur 30B ergibt sich somit ein feineres Korn 41 in der Gefügestruktur 30B (3).
Eine Komponente 3, 3', insbesondere ein Grundkörper 13, 14, wird vorzugsweise so ausgestaltet, dass sich eine möglichst homogene Gefügestruktur 30B ergibt, die kornstabilisiert ist, wie es in der 3 dargestellt ist.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2789845 A1 [0002, 0003]

Claims

Komponente (3; 3') für eine Einspritzanlage (1), insbesondere Hochdruckleitung (5) oder Fluidverteiler (2), mit einem Grundkörper (14; 13), an dem ein Hochdruckeingang (15; 12) und zumindest ein Hochdruckausgang (16 - 19; 12') vorgesehen sind, wobei zumindest der Grundkörper (14; 13) zumindest im Wesentlichen aus einem austenitischen oder martensitischen Werkstoff gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff als kornstabilisierter Werkstoff ausgebildet ist.
Komponente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff als feinkornstabilisierter Werkstoff ausgebildet ist.
Komponente nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff mittels zumindest einer Mikrolegierung kornstabilisiert ist.
Komponente nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrolegierung zur Kornstabilisierung auf Niob und/oder Vanadium und/oder Titan und/oder Aluminium basiert.
Komponente nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff so kornstabilisiert ist, dass die Bildung von Grobkorn zumindest in einem Temperaturbereich von 850 °C bis 1250 °C unterdrückt ist.
Komponente nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (14; 13) als geschmiedeter Grundkörper (14; 13) ausgebildet ist.
Komponente nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (14; 13) mit dem Hochdruckeingang (15; 12) und dem zumindest einem Hochdruckausgang (16 - 19; 12') einstückig aus dem kornstabilisierten Werkstoff ausgebildet ist.
Komponente nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Grundkörper (14; 13) zumindest teilweise gehärtet ist.
Komponente nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoffe auf zumindest einem Werkstoff mit der Werkstoffnummer 1.4541, 1.4550 oder 1.4580 basiert.
Einspritzanlage (1), die vorzugsweise zum Einspritzen von Brennstoff, insbesondere Benzin und/oder Ethanol, und/oder eines Gemisches mit Brennstoff dient, mit zumindest einer Komponente (3, 3') nach einem der Ansprüche 1 bis 9.